JP3218726B2 - 異物検査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は異物検査装置に関し、特
に、半導体素子の製造の際に使用されるレチクルやフォ
トマスク等の基板上に付着した回路パターン以外の異物
や回路パターンの欠陥を検出する際に好適に用いられる
異物検査装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ＩＣ等の半導体素子は、レチク
ル又はフォトマスク等の基板上に形成された回路パター
ンを露光装置によってレジストが塗布されたウエハ上に
転写することによって製造される。この際、基板上にご
み等の異物が存在すると、回路パターンと共に異物も転
写され、半導体素子製造の歩留を低下させる原因とな
る。

【０００３】そのため、半導体素子の製造工程におい
て、基板上の異物の有無を検査することは必要不可欠と
なっており、従来より種々の異物検査装置が提案されて
いる。従来のこの種の装置の例としては、例えば、特開
平１−１５８３０８号に開示されているようなものがあ
る。この装置においては、被検面をコヒーレント光で照
明し、照明領域のフーリエ変換パターンを形成する。こ
のとき、フーリエ変換レンズの瞳面（フーリエ変換面）
に空間フィルターを配置してパターンからの回折光を遮
光し、パターンの欠陥や異物からの散乱光のみを通過さ
せて被検面と共役な面に際結像させる。これにより、パ
ターンの回折像を除去して欠陥（異物）像だけを検出す
ることができ、被検面上の異物や欠陥の有無を検査する
ことが可能となる。

【０００４】また、従来の異物検査装置の他の例として
は、特開平３−４２５５６号に開示されたものがある。
この装置では、エネルギービーム（レーザビーム）で照
射することによって被検面から発生した光を、空間的に
配列された多数の光ファイバを用いて検出し、被検面か
ら発生される光の空間角度エネルギー分布の差異によっ
てパターン回折光と異物散乱光が区別される。即ち、パ
ターン回折光のエネルギー分布はある間隔でピークを有
するのに対して、異物散乱光のエネルギー分布は連続的
であり、この違いによって異物や欠陥（以下、単に異物
という）とパターンが弁別される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
従来の異物検査装置においては、空間フィルターの遮光
パターンや光ファイバの空間配置を任意に変えることが
できないため、回路パターンの配列方向やピッチによっ
ては、パターンからの回折光と異物からの散乱光を区別
することが困難となり、誤検出を生じやすいという問題
があった。

【０００６】即ち、パターン回折光の分布は、被検面上
に形成されている回路パターンの配列方向やピッチに応
じて定まるため、回路パターンの配列方向やピッチが変
われば、当然回折光の分布も変化する。しかし、従来の
装置においては、特定の回路パターンを想定して空間フ
ィルタの遮光パターンや光ファイバの配置を設定してい
るため、異なる種類のパターンが形成された基板の検査
を行う場合には、本来受光されないはずのパターン回折
光が検出さるという不都合が生じる。このため、従来の
装置では、回路パターンの種類によってはパターンを異
物として誤検出してしまい、精度の高い検査ができなか
った。

【０００７】本発明は、係る点に鑑みてなされたもので
あり、被検面に形成される回路パターンの配列方向やピ
ッチによらず、高精度に異物とパターンとを弁別するこ
とのできる異物検査装置を提供することを目的とするも
のである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の異物検査装置
は、表面にパターンが形成された被検面に対して集光さ
れた光ビームを斜入射させる照射光学系と、前記被検面
と前記光ビームのスポットとを相対的に移動させること
により前記被検面上をビームスポットで走査する走査手
段と、前記光ビームの照射によって前記被検面から発生
される光を受光する受光光学系とを有する異物検査装置
において、前記受光光学系は、前記被検面から発生され
る光のうち前記光ビームの入射方向とほぼ同じ方向に発
生する前記パターンからの回折光と前記被検面からの散
乱光とを受光するように配置されると共に、前記受光光
学系の略瞳面又は略瞳共役面（以下単に瞳面という）に
は、瞳面の像を画像情報として出力可能な撮像手段が設
けられ、該撮像手段から出力される画像情報に基づいて
前記被検面上の異物の有無を検査するものである。

【０００９】請求項２の異物検査装置は、前記画像情報
の中から前記被検面上に形成されたパターンからの回折
光に対応する回折光情報を抽出する画像処理手段を備
え、前記回折光情報以外の画像情報に基づいて前記異物
の有無を検査するものである。

【００１０】請求項３の異物検査装置における前記照射
光学系の開口数は、前記被検面上に形成されたパターン
に応じて変更可能である。

【００１１】

【作用】本発明は、照射光学系から照射されるビームス
ポット内に複数の回路パターンが存在する場合、パター
ンからの回折光は離散的に発生することに着目してなさ
れたものである。即ち、ビームスポット内に複数のパタ
ーンが存在する場合に、被検面から発生される光束を被
検面に照射される光ビームの開口角よりも大きい開口角
をもつ受光光学系で受光すれば、受光光学系の瞳面には
パターンからの回折光が入射する部分と回折光が入射し
ない部分が存在することになる。

【００１２】一方、ビームスポット内にごみ等の異物が
存在する場合、異物からの散乱光は空間的に連続して発
生する。即ち、ビームスポット内に異物が存在する場合
には、受光光学系の瞳面全域に一様に異物散乱光が入射
する。

【００１３】そこで、本発明では、受光光学系の瞳面に
撮像手段を設けて、瞳面の像を画像情報として検出し、
この画像情報に基づいて異物と回路パターンを弁別する
構成としている。具体的には、瞳面全体の画像情報（２
次元の画像信号）から回折光が存在しない部分の信号成
分を抽出して、この回折光が存在しない部分の信号レベ
ルが適宜設定した閾値を越えるか否かによって異物の有
無を検査することが可能である。

【００１４】本発明では、上記のように受光光学系の瞳
面の像を画像情報として検出して、この画像情報に基づ
いて異物の有無を検査するので、従来の装置のように、
空間フィルターや受光素子の配置によってパターン回折
光が受光光学系に入射するのを回避する必要はなく、形
成されているパターンによらず、正確にパターンと異物
の弁別を行うことができる。

【００１５】この際、異物と回路パターンの弁別精度を
より向上させるためには、照射光学系の開口角を被検面
上のパターンに応じて調整することが好ましい。即ち、
被検面上の回路パターンのピッチが大きい場合には、パ
ターン回折光の回折角が小さくなるため、受光光学系瞳
面における回折パターンのピッチが狭くなり、回折光の
存在しない部分の信号成分を抽出するのが困難となる
が、照射光学系の開口角を小さくすることで回折パター
ン自体を小さくすることができる。回折パターンの大き
さが小さくなればそれだけ回折光の存在しない部分、即
ち、異物散乱光だけが検出される領域が増えるので、比
較的粗いパターンの場合でも異物とパターンの弁別精度
を向上させることが可能である。

【００１６】さてここで、本発明において、被検面から
発生される光のなかでも、照射光学系からの入射光とほ
ぼ同じ方向に発生する光、いわゆる後方散乱光を受光す
る構成をとっている理由について説明する。

【００１７】まず、パターンから発生される回折光の強
度分布を考えると、０次回折光（正反射光）の発生する
方向の強度が最大であり、この０次回折光の方向から離
れるほど強度は弱くなる。パターン回折光の強度が高く
ともパターン回折光の離散性と異物散乱光の連続性によ
る弁別は基本的には可能ではあるが、パターン回折光の
強度が高すぎる場合、次のような不都合がある。即ち、
異物散乱光とパターン回折光を同じ撮像手段で検出する
に際して、両者の強度差が大きすぎると、強度の弱い異
物散乱光の信号レベルがほとんど０に近くなってノイズ
に埋もれてしまったり、設定した閾値を越えないという
ことが考えられる。このような場合、実際には異物が存
在していても、異物を検出することができず正確な検査
を行うことができない。

【００１８】そこで、本発明では、光ビームを被検面に
斜入射させて、パターン回折光の強度が十分に弱くなる
後方散乱光を受光することによって、異物の検出精度を
向上させているのである。この際、被検面上で光ビーム
を集光させずにある程度の面積をもつ領域を一括して照
射することも考えられるが、この場合には受光光学系が
いわゆる「あおり」の構成となり、光学系が非常に複雑
となってしまう。このため、本発明では、光ビームを被
検面上で集光させてビームスポットで被検面を走査する
構成をとっているのである。

【００１９】

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。図１は本実施例による異物検査装置の要部斜視図で
ある。図において、レーザ光源１から射出されたレーザ
ビームは振動ミラー２を介して走査用ｆ−θレンズ３に
入射され、ミラー１５で反射されて、斜め方向から被検
面４上にビームスポットを形成する。そして、振動ミラ
ー２を矢印の方向に回転させることで、被検面４上のビ
ームスポットが走査軌跡５に沿って移動される。このと
き、被検面４は図示されていない搬送機構によって走査
軌跡５と直交する方向に搬送され、これによって被検面
４全体がビームスポットによって走査される。

【００２０】本実施例では、上記のレーザ光源１、振動
ミラー２、走査用ｆ−θレンズ３、ミラー１５が照射光
学系を構成する。この照射光学系の開口角は、被検面４
上に形成されている回路パターン（図示せず）のピッ
チ、レーザビームの波長、予想される異物の種類等に応
じて調整可能となっている。

【００２１】一方、ビームスポットでの走査によって被
検面４上から発生されるパターン回折光及び異物散乱光
は、ミラー１６で反射されて、受光レンズ６に入射す
る。この受光レンズ６の瞳面の像はリレーレンズ８によ
って２次元イメージセンサー９上に結像される。即ち、
受光レンズ６の瞳面と２次元イメージセンサー９の受光
面とは共役である。また、スリット７は、被検面４と共
役な位置に配置されており、迷光を遮光して走査軌跡５
からの光のみを通過させることにより検出感度を向上さ
せる役割を果たすものである。

【００２２】本実施例では、上記のミラー１６、受光レ
ンズ６、スリット７、リレーレンズ８、２次元イメージ
センサー９によって受光光学系が構成され、この受光光
学系は、上述した照射光学系からのレーザビームの入射
方向とほぼ一致する方向で被検面４からの光を受光する
ように配置されている。このように被検面４からの後方
散乱光を受光する構成としているのは、この方向ではパ
ターン回折光の回折次数が高くなって回折光の強度が低
下するため、パターン回折光に比べて微弱な異物散乱光
を検出するのに適しているからである。

【００２３】また、本実施例では、図に示されるよう
に、同様の構成の２つの受光光学系を照射光学系の光軸
に対してほぼ対称となるように配置している。本実施例
で受光光光学系を２つ設けているのは次のような理由に
よる。

【００２４】まず、受光光学系の配置としては、レーザ
ビーム入射方向に対して走査軌跡５の方向に若干ずれた
位置で被検面４からの光を受光する配置（図１の場合）
の他に、レーザビーム入射方向に対して上側又は下側に
若干ずれた位置で被検面４からの光を受光する配置が考
えられる。しかし、受光光学系の受光レンズ６は実際に
はかなり大きいものであり、照射光学系の上側又は下側
に受光光学系を配置することは装置の組み立て上難点が
多い。

【００２５】そこで、本実施例では、図１に示されるよ
うに照射光学系に対して走査軌跡５の方向に若干ずれた
位置に受光光学系を配置しているのであるが、原理的に
は、単一の受光光学系でも異物の検出は可能である。し
かし、仮に図中手前側の受光光学系だけを設けたとする
と、異物が走査軌跡５の手前側にある場合には異物散乱
光が受光されやすく、走査軌跡５の奥側にある場合には
異物散乱光が受光されにくいという不都合が生じること
も考えられる。このため、本発明では、異物の位置によ
って検出感度に差が生じないように、２つの受光光学系
をレーザビームの入射方向に対して対称に配置している
のである。

【００２６】さてここで、受光レンズ６の瞳面における
光強度分布について説明する。図２は２次元イメージセ
ンサー９上に形成された受光レンズ６の瞳面の像を示
し、被検面４上に形成されたパターンによる回折光は図
中回折パターン１１で示され、被検面４上に付着した異
物による散乱光は散乱光１２で示される。また、図３は
２次元イメージセンサー９から得られる一走査線の画像
信号を示したものである。

【００２７】まず、図２（ａ）は、ビームスポットが回
路パターン（周期パターン）のピッチに対して十分大き
くビームスポット内に複数のパターンが存在し、かつビ
ームスポット内に異物も存在する場合の分布を示す。図
に示されるように、パターン回折光１１は、所定のピッ
チ（被検面４上のパターンのピッチに逆比例）で離散的
に分布しているのに対し、異物散乱光１２は一様に分布
している。

【００２８】この場合の画像信号は、図３（ａ）に示さ
れるように、パターン回折光１１に対応する位置に高い
ピークをもち、異物からの散乱光のみの部分１２はある
レベルの一様なバックグラウンドとなる。

【００２９】図２（ｂ）はビームスポット内に回路パタ
ーンのみが存在し、異物がない場合を示し、この場合の
画像信号は図３（ｂ）に示されるように、パターン回折
光１１以外の部分の光強度はほぼ０となる。

【００３０】また、図２（ｃ）はビームスポット内に異
物のみが存在する場合を示し、この場合の画像信号は図
３（ｃ）に示されるように、あるレベルの一様な光強度
となる。

【００３１】次に、本実施例における異物検査方法の一
例を図４、５を参照して説明する。まず、図４（ａ）は
前述の図３（ａ）に対応するもので、２次元イメージセ
ンサー９上に形成された受光レンズ６の瞳面の像を示
す。図３と同様に、パターン回折光は図中回折パターン
１１で示され、被検面４上に付着した異物による散乱光
は散乱光１２で示される。

【００３２】被検面４上の異物に照射光学系からレーザ
ビームが照射されると、前述したように異物によってレ
ーザビームは空間的に一様に散乱する。即ち、瞳面上の
散乱光１２の領域では、その光強度がほぼ平均したもの
となる。そして異物の大きさに対応してこの光強度が変
化する。

【００３３】次に、図５は、本実施例における異物検査
方法の一例を示すフローチャートである。以下、各ステ
ップ毎に順を追って説明する。 ［ステップ１００］ステップ１００では、図１の２次元
イメージセンサー９による画像信号の読み出しを開始す
る。このとき２次元イメージセンサー９が検出する受光
レンズ６の瞳面の像は図４（ａ）に示すものとし、制御
部（図示せず）は、走査線１０に沿って、瞳面の像を検
出する。その後、ステップ１０１へ移行する。

【００３４】［ステップ１０１］ステップ１０１では、
制御部は読み出された画像信号に基づいてこの画像信号
の強度を検出し、走査線に添った位置での強度をメモリ
ー部（図示せず）に記憶させる。図４（ａ）に示す瞳面
の像を検出する場合には、走査線１０に添った画像信号
の強度は図４（ｂ）に示すようになる。その後、ステッ
プ１０２に移行する。

【００３５】［ステップ１０２］ステップ１０２では、
制御部は、上述の画像信号の強度に基づいて、最低強度
となる位置（ボトム位置）の強度をメモリー部に記憶さ
せる。この場合には、ボトム位置Ｂ₁ における画像信号
の強度が記憶される。その後、ステップ１０３へ移行す
る。

【００３６】［ステップ１０３］ステップ１０３では、
制御部は、ステップ１０１の画像信号の強度に基づい
て、最高値とする位置（ピーク位置）での強度をメモリ
ー部に記憶させる。この例では、制御部はピーク位置Ｐ
₁ での強度をメモリー部へ記憶させる。その後、ステッ
プ１０４に移行する。

【００３７】［ステップ１０４］ステップ１０４では、
制御部は、走査線１０に添った画像信号の読み出しが終
了したか否か判断する。この読み出しが終了していなけ
れば、ステップ１０１へ移行し、読み出しが終了してい
れば、ステップ１０５へ移行する。さて現在、走査線１
０に添った画像信号の読み出し途中であるので、制御部
は再びステップ１０１へ移行し、画像信号の読み出しを
続行する。そして、ステップ１０２〜ステップ１０３を
順次実行して、メモリー部にボトム位置Ｂ₂ 、Ｂ₃及び
ピーク位置Ｐ₂ における画像信号の強度を記憶させて、
ステップ１０４へ移行する。このときステップ１０４で
は、１走査線分の画像信号の読み出し終了しているので
ステップ１０５へ移行する。

【００３８】［ステップ１０５］ステップ１０５では、
メモリー部に記憶されたボトム位置Ｂ₁ 、Ｂ₂ 、Ｂ₃ に
おける強度について、これらのボトム位置Ｂ₁ 、Ｂ₂ 、
Ｂ₃ における強度の平均値Ｋを求め、ステップ１０６へ
移行する。

【００３９】［ステップ１０６］ステップ１０６では、
制御部は、ボトム位置の強度の平均値Ｋが０であるか否
かを判断する。ここでＫ＝０であれば、制御部は被検面
４上に異物が存在しないと判断し、ステップ１０８に移
行する。そして、Ｋ≠０であれば、制御部は被検面４上
に異物が存在すると判断し、ステップ１０７へ移行す
る。

【００４０】［ステップ１０７］ステップ１０７では、
制御部は、２次元イメージセンサー９から読み出された
画像信号をメモリー部から読み出し、平均値Ｋに所定の
値σを加算した値（Ｋ＋σ）以上の強度を０にした画像
信号に変換する。この変換された画像信号は、異物デー
タとしてメモリー部に記憶される。その後、ステップ１
０８に移行する。

【００４１】なお、所定の値σは、異物で散乱された光
が２次元イメージセンサー９上で示す強度の分布を収め
る値とすることが望ましく、本実施例では、この値σ
は、予め実験データに基づいて決定されている。この例
では、２次元イメージセンサー９から読み出された画像
信号が図４（ｂ）に示すような画像信号であり、この画
像信号において、Ｋ＋σ以上の強度を示す部分を０に変
換すると、図４（ｃ）に示す画像信号、即ち、異物デー
タとなる。

【００４２】［ステップ１０８］ステップ１０８では、
制御部は、すべての走査線の読み出しが完了した否かを
判断する。ここで、すべての走査線の読み出しが完了し
ていれば、ステップ１１０へ移行し、すべての走査線の
読み出しが完了していなければ、ステップ１０９へ移行
する。

【００４３】なお、説明を簡単にするために、本実施例
では、図４（ａ）に示す瞳面の像において、読み出す走
査線は、走査線１０のみを示したが、実際には、この瞳
面の像の端部から、順に走査するように画像読み出しを
行っている。

【００４４】［ステップ１０９］ステップ１０９では、
制御部は、次の走査線の読み出しを開始する。その後、
ステップ１０１へ移行する。そして、全走査線の読み出
しが完了するまで、ステップ１０１からステップ１０９
を順次実行する。

【００４５】［ステップ１１０］ステップ１１０では、
制御部は、メモリー部に記憶された異物データの積分を
各走査線毎に行い、各走査線に対応した積分値をそれぞ
れ加算してステップ１１１へ移行する、即ち、図４
（ｃ）に示す異物データを積分した場合には、斜線に示
す面積となり、この面積を各走査線の分だけ加算する。

【００４６】［ステップ１１１］ステップ１１１では、
制御部は、加算された積分値に基づいて、被検面４上に
付着した異物の大きさを判断する。このとき、加算され
た積分値と異物の大きさとの対応関係を予めメモリー部
に記憶させておくことが好ましい。以上のステップ１０
０〜１１１によって、被検面４上に被着した異物の検出
及び異物の大きさの推定が可能となる。

【００４７】なお、異物の存在のみを検出するのであれ
ば、ステップ１０２に示した画像信号の強度値をメモリ
ー部に記憶させる動作、ステップ１０７に示した異物デ
ータへの変換、及びステップ１１０〜１１１に示した異
物データからの異物の大きさの推定の動作を除けば良
い。

【００４８】また、被検面４上に付着した異物からの散
乱光による瞳面の像の強度は、この瞳面全領域にわたっ
て一様に分布しているので、ステップ１０６における異
物検出の有無の判断で、ボトム位置における強度の平均
値Ｋ＝０であれば、異物が存在しないとして異物検査を
終了しても良い。

【００４９】また、上記の説明では、被検面に付着した
異物の検出について述べたが、本発明による装置は、被
検面に形成されているパターン自体の欠陥（欠けや不要
な突起など）の検査にも適用できることは言うまでもな
い。

【００５０】

【発明の効果】以上のように、本発明においては、受光
手段の瞳面の像を画像情報として検出し、この画像情報
に基づいて異物と回路パターンの弁別を行うので、被検
面に形成されているパターンの配列ピッチや方向にかか
わらず、高精度に異物検査を行うことができる。また、
異物の大きさと散乱光強度の関係を予め調べておけば、
異物の有無だけでなく、異物の大きさを推定することも
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例による異物検査装置の要部斜視図
である。

【図２】受光レンズの瞳面の像を示す概念図であり、
（ａ）はビームスポット内にパターンと異物が存在する
場合、（ｂ）はビームスポット内にパターンのみ存在す
る場合、（ｃ）はビームスポット内に異物のみが存在す
る場合を示す。

【図３】走査線に添った画像信号の強度分布を示す図あ
り、（ａ）〜（ｃ）は図２の（ａ）〜（ｃ）の場合に対
応する。

【図４】（ａ）は受光レンズの瞳面の像を示す概念図で
あり、（ｂ），（ｃ）は走査線に添った画像信号の強度
分布を示す図である。

【図５】実施例における異物検査方法の一例を説明する
ためのフローチャートである。

【符号の説明】

１…レーザ光源、２…振動ミラー、３…走査用ｆ−θレ
ンズ、４…被検面、５…走査軌跡、６…受光レンズ、７
…スリット、８…リレーレンズ、９…２次元イメージセ
ンサー、１０…走査線、１１…パターン回折光、１２…
異物散乱光、１５，１６…ミラー。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表面にパターンが形成された被検面に対し
   て集光された光ビームを斜入射させる照射光学系と、 前記被検面と前記光ビームのスポットとを相対的に移動
   させることにより前記被検面上をビームスポットで走査
   する走査手段と、 前記光ビームの照射によって前記被検面から発生される
   光を受光する受光光学系とを有する異物検査装置におい
   て、 前記受光光学系は、前記被検面から発生される光のうち
   前記光ビームの入射方向とほぼ同じ方向に発生する前記
   パターンからの回折光と前記被検面からの散乱光とを受
   光するように配置されると共に、 前記受光光学系の略瞳面又は略瞳共役面には、瞳面又は
   瞳共役面の像を画像情報として出力可能な撮像手段が設
   けられ、該撮像手段から出力される画像情報に基づいて
   前記被検面上の異物の有無を検査することを特徴とする
   異物検査装置。
2. 【請求項２】前記画像情報の中から前記被検面上に形成
   されたパターンからの回折光に対応する回折光情報を抽
   出する画像処理手段を備え、 前記回折光情報以外の画像情報に基づいて前記異物の有
   無を検査することを特徴とする請求項１に記載の異物検
   査装置。
3. 【請求項３】前記照射光学系の開口数は、前記被検面上
   に形成されたパターンに応じて変更可能であることを特
   徴とする請求項１に記載の異物検査装置。